实验用通风机性能监测系统研发

王启立, 窦东阳, 李小川, 何京敏

(中国矿业大学 化工学院, 江苏 徐州　221116)



实验用通风机性能监测系统研发

王启立, 窦东阳, 李小川, 何京敏

(中国矿业大学 化工学院, 江苏 徐州221116)

为增强本科生的工程实践背景和创新精神,培养学生综合利用所学知识解决实际问题的能力,促进高校实验教学改革,设计了以小型对旋轴流通风机为实验对象,以可编程控制器和组态软件为核心的通风机性能监测与控制系统,为过程控制专业和自动化专业实验教学提供多功能平台,获得较好效果。

通风机; 性能监测； 实验教学; 组态软件； 可编程控制器

近年来,随着高等教育的迅速发展,尤其是工程教育认证在国内的全面开展,高校培养的本科人才与市场要求还有差距,重要原因之一就是高校的理论教学和实验、实践训练脱节。通过大量调研发现,在实验教学和实践训练环节存在一些问题,比如:实验设备陈旧,没有工程背景,远远落后于生产实践中的现代要求；自制实验设备少,大多为教仪厂生产,功能单一,只能针对一门课程开设；验证性实验设备多,综合设计、研究性实验设备少,不能支撑学生开展课外创新实践训练。结果就是在实验与实践教学环节中,学生为了实验任务而实验,没有主动性和创新性,无法培养对工程实践的兴趣, 导致学生走上工作岗位后动手能力差,无法有效地综合利用自己学习的知识解决生产实践中的实际问题。国内已有高校已经认识到这些问题,在改革实验教学体系,改进实验教学方法方面做了大量探索与实践,获得了很多有益的成效[1-7]。

在长期从事教学工作和指导大学生开展各级别的课外实践创新训练过程中,我们发现,培养学生工程实践兴趣和实践能力,最有效的方式就是自制仪器设备,通过开发贴近生产实际的研究型实验系统,可以有效地融合本专业的多门课程知识,锻炼学生综合利用所学知识解决实际问题的能力。比如,在电气、过程控制等专业的实验教学中增加了设备工程应用背景,培养学生利用所学的机械、电气、仪表及自动化相关学科知识,解决实践中的具体应用问题[8-11]。本文以生产实践中的典型设备“通风机”为例,设计开发一套实验室用通风机性能监测和控制系统,用于本科生的实验教学和课外实践创新活动,锻炼学生的实践和创新能力。

1　系统功能及总体方案

以某小型轴流对旋通风机为研究对象,模拟其在煤矿及化工领域生产实践中的运行情况,监测与控制要求与生产实践中的要求完全一致。为了锻炼学生综合利用机械、电气、仪表自动化等多学科知识,该系统设计采用模块化思想。该系统由测量传感器、信息采集、信号处理、界面组态、控制等多个功能块组成。设计包括方案设计、硬件设计、人机界面组态设计、扩展功能设计,总体方案见图1。实现功能如下:

(1) 实现通风机运行过程参数检测与控制功能的硬件系统构建,模拟通风机在煤矿及化工厂运行情况；

(2) 实现通风机运行参数信号处理与转换,主要参数包括温度、振动、电量、压力、流量等；

(3) 实现通风机运行过程的人机界面组态、显示、存储、报警等功能；

(4) 实现通风机运行过程典型控制功能；

(5) 预留数据传输、网络共享、硬件扩展等接口和功能,为多样化的创新设计提供平台支撑。

图1　实验系统总体方案

2　系统硬件设计

该系统硬件设计主要包括传感器选型设计、信号采集和转换设计、控制元件选型设计、监控电脑及辅助器件选型设计。根据实验教学需要和当前工控领域现状,选型过程遵从以下几个原则:一是满足系统技术要求；二是选择当前主流、高性价比产品；三是通用性好,有利于扩展和改进[12-13]。

该系统需要测量电机的轴承温度与定子温度,测量传感器由厂家在出厂前预埋,采用工业中广泛应用的Pt100温度传感器,系统需配置相应的采集模块。风机压力测量包括静压和动压2个参数,需要配置2个压力传感器。实验室环境较好,无需设计除尘、除湿环节,直接通过压力传感器采集压力信号,再由PLC站的模块实现信号采集。同样,配置速度传感器1个,实现流速测量。为了实时监测旋转机械振动情况,为故障诊断提供依据,配置4个振动传感器,分别测量风机前后轴承座在水平、垂直方向的振动信号,通过信号采集模块接入上级系统。电量参数包括电机的三相电压、二相电流、有功及无功功率、功率因数,通过综合电量测量模块实现上述参数测量,每台电机只需1个测量模块即可实现。

该系统信号采集与转换采用西门子S7-300系列可编程控制器(PLC)。根据前述各类测量传感器选型结果,考虑信号类型和冗余,配置相应的PLC信号模块。通风机的启停控制通过PLC的数字量输出模块控制中间继电器,从而实现相关电路的分合闸来实现通风机的启停。PLC与上位监控计算机的通信,可采用MPI通信或以太网通信方式实现。MPI方式受通信距离限制,也不能实现网络间通信；TCP/IP通信可以克服上述缺点。系统配置以太网通信模块,实现PLC站与上位监控计算机通信。系统主要硬件配置见表1。

表1　系统硬件配置

3　系统软件设计

软件编程主要实现数据采集与转换、上位电脑监控界面组态、PLC站与上位电脑通信。因此,该系统软件设计主要包括3个方面：一是PLC程序设计,二是人机界面(HMI)设计,三是数据交换和扩展功能设计。该系统采用西门子系列PLC作为控制器,PLC编程采用Step 7 V5.5实现,上位人机界面基于西门子组态软件WinCC V6.2开发,监测主界面见图2。

PLC编程实现2个功能：一是输入输出信号数据处理,二是与上位组态软件通信。编程中所使用的功能块及数据块见表2。

图2　上位人机界面

序号功能块说明1OB1主程序块2OB86系统故障处理3OB100初始化4FC1模拟量信号处理5FC2开关量信号处理6DB21数据存储

主程序块OB1完成循环调用程序,FC1完成模拟量输入信号(DI)信号处理,FC2完成开关量输出信号(DO)处理,数据存储在共享数据块DB10中,上位组态软件WinCC通过TCP/IP方式读/写DB存储块数据,实现信息交换。

上位人机界面基于西门子WinCC6.2组态软件开发,最大的优势是与西门子PLC程序可实现无缝连接,实现过程自动化集成,可采用多种通信方式实现数据交换[14]。人机界面设计主要功能块(见表3)包括数据处理、在线监测、控制、数据存储与查询等。

表3　人机界面设计主要功能块

数据处理功能块完成变量建立、变量读取及脚本处理。首先在WinCC6.2中建立外部变量,通过TCP/IP通信协议与Step程序中的DB块建立变量对应关系,实现WinCC6.2与Step7之间数据交换。在线监测模块主要功能是人机界面组态,包括系统图、数据采集界面、模拟棒图、实时曲线界面、历史曲线界面,方便观察实验过程,记录实验数据。控制功能模块实现风机的启停操作控制。数据存储模块完成监测参数短期、长期归档,可进行实时和历史数据查询。辅助功能模块主要实现用户权限分配,防止不熟练者误操作,简单的系统帮助有助于使用者尽快熟悉该实验系统。

数据交换和扩展功能主要针对不同的数据处理软件和平台,实现本监测系统参数与第三方软件的数据共享与交换。系统通过软件配置,主要以OPC、OLE、DDE 3种方式,实现以下功能:(1)与第三方组态软件(如MCGS、组态王、IFIX)实现数据交换；(2)与VB等可视化编程语言实现数据交换,方便学生自行编程进行数据处理；(3)与Excel、Access等日常数据处理软件进行数据交换,方便实验数据处理；(4)与摄像头等视频工具实现信号接入,将实验过程视频信号整合到人机界面中显示。

4　系统实践与应用

该实验系统以煤矿和化工领域常用的轴流通风机为监控对象,对其运行过程进行检测、模拟、控制,在实践应用中体现出如下特点:

(1) 该实验系统涵盖多专业、多学科交叉知识,功能强大,远远超过了同类教仪产品。根据实验目的不同,该系统可以开展通风机性能测试实验、可编程控制器实验、振动信号测试实验,稍加改进可开展流量调节实验,既包括一般验证性实验,又包括综合设计性实验,可为动力工程、电气工程、过程控制专业的流体机械、泵与风机、控制工程基础、可编程控制器原理及应用、仪器仪表与自动化等多门课程服务。

(2) 该实验系统采用模块化设计,可灵活改进和替换,在不同方面训练学生能力。在信号采集、PLC编程、HMI界面组态环节,完全可以变换对象,提出不同要求,针对学生某一方面的能力进行重点训练。

(3) 该实验系统具备灵活的扩展功能,可灵活模拟工程实际,开展工程教育训练和研究。对流体介质、取压环节进行改进,即可模拟煤矿井下气流、化工厂多相流气体、隧道气体及工厂含尘气流的输送过程,贴近工程实际；开展通风机性能调节、噪声治理、故障诊断等方面的研究工作。

(4) 该实验系统既为本科实验教学服务,也为科研训练和课外实践创新活动提供支撑。近3年来,该实验系统为本科生的10余项国家级、省级和校级实践创新课题提供了训练平台,覆盖流体机械、仪表与传感器、自动化控制、节能降耗等领域,学生在实践能力、科技论文撰写、专利申请方面获得了显著的进步。

5　结语

通过自主开发研制贴近生产实践、涵盖多学科的综合型实验教学系统,并应用于本科实践教学和课外实践创新训练环节,对加强学生的工程观念、锻炼学生的实践创新能力和解决实际问题的能力都有较大的促进作用,该实验系统有效地将理论教学与实验教学相互衔接了起来,有利于提高实验教学质量。

References)

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R&D of performance monitoring system for experimental fans

Wang Qili, Dou Dongyang， Li Xiaochuan, He Jingmin

(School of Chemical Engineering and Technology, China University of Mining & Technology, Xuzhou, 221116, China)

In order to enhance the undergraduates’ engineering practical background and innovative spirit, train the ability to solve practical problems by their comprehensive knowledge, and promote the experimental teaching reform in colleges and universities, a performance monitoring system of the small fan is developed. Based on the small axial fan, programmable logic controller and configuration software, this system can be used in the experimental teaching, which provides a multifunctional experimental platform for the undergraduates of the Process Control specialty and Automation specialty. Consequently, good results are achieved in experimental teaching.

fan; performance monitoring; experimental teaching; configuration software; PLC

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.021

2015- 09- 21修改日期:2015- 10- 21

中国矿业大学教改项目(2014YB23);江苏省教改项目(2013JSJG024);中国矿业大学“矿物加工工程”专业主干课国家级教学团队建设基金支持；中国矿业大学“矿物加工工程”国家特色专业建设基金支持

王启立(1980—),男,四川资阳,博士,副教授,从事过程装备与过程控制工程的教学和科研工作.

TP273;G484

A

1002-4956(2016)3- 0078- 04